嵌入式零功耗系统设计研究

嵌入式应用系统中，普遍存在功耗浪费现象。

1 零功耗系统设计的基本概念

1.1 系统中的理想功耗

一个电子系统要运行就会有功耗。如果系统运行时没有任何功耗浪费，那么它的功耗就是系统的理想功耗。

在一个嵌入式应用系统中，由于普遍存在CPU高速运行功能和有限任务处理要求的巨大差异，会形成系统在时间与空间上巨大的无效操作。如果在系统运行中，所有时间、空间上的无效操作都没有功耗，那么系统便处于理想功耗运行之下。

1.2 应用系统中的有效操作时空占空比

如果将系统运行中，所有时间、空间上的有效操作和无效操作采用时空占空比来量化描述，那么，有效操作占空比定义为：有效操作与系统全部运行操作之比。在一个具体应用系统中，有效操作的时空占空比有：宏观时域占空比、宏观区域占空比、微观时域占空比和微观区域占空比。以下以一个嵌入式应用系统--热流量计为例来描述这4个占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏观时域占空比Tdc

Tdc定义为系统运行时域上有效操作时间OPact与全部运行时间OPtot之比。由于嵌入式应用中CPU的高速运行与有限任务操作的差异，常常会形成有效操作高谐小量的时域占空比现象。例如，在热流量计中，要采集、处理的物理参数有热水的入口温度、出口温度和流量计数值。由于这些参数的大惯量特征，在满足采集精度要求下，一次采集循环周期为10 min，然而系统完成一次采集、处理、存储、送显示的时间只需2 s，如图1所示。那么，该系统的有效操作时间OPact为 2 s，全部操作循环时间OPtot为600 s，系统宏观有效操作时域占空比为

1.2.2 有效操作的宏观区域占空比Sdc

有效操作宏观区域占空比定义为：系统运行时，有效操作区域Sact与系统全部区域Stot之比。由于系统运行时，并不是所有电路单元都处于有效操作状态，特别是在单CPU系统中，所有功能单元都是在CPU的轮流控制下运行，致使系统的各部分电路轮流进入有效操作状态。例如，在热流量计中，在有效操作时域OPact中，除CPU外，采集、处理、存储、送显示的4个主体操作是轮流进行的，如图2所示。如果按等区域原则最粗略地估算，可以算出该系统宏观有效操作的区域占空比为在系统硬件设计中，如果有意识地按任务进程，对系统电路进行粗略的划分，形成相对独立任务运行空间，这样便可较准确地计算出Sdc值。

1.2.3 有效操作的微观时空占空比

在数字系统中，进入有效操作状态的一个完整电路中，也不是每一时刻、每一电路单元都处于有效操作状态，同样可以估算出微观有效操作的时域占空比和区域占空比。

(1)有效操作的微观区域占空比μSdc

μSdc定义为：有效操作电路单元中，平均有效操作区域Aact与全部电路单元区域Atot之比。例如，热流量计在执行数据存储任务，对EEPROM进行存储操作时，EEPROM的三个操作区域，即输入缓冲电路、转换控制电路和EEPROM阵列轮流进入有效操作状态。设这三个区域有效操作功耗相等，那么，热流量计在数据存储时，存储器EEPROM的微观有效操作区域占空比为

(2)有效操作的微观时域占空比μTdc

系统中，所有处于有效操作的电路，真正的有效操作只表现为0、1状态的变化操作。因此，电路有效操作的微观时域占空比μTdc定义为：电路的动态时间ATact与全部时间ATtot之比。例如，在热流量计的数据采集任务中，频率测量的逻辑控制电路要根据温频传感器输出的信号脉冲，实现频率测量控制。这些操作控制都出现在脉冲的变化沿。设温频传感器输出的信号脉冲频率为20 kHz，测控逻辑状态变化时间小于100 ns，可以估算出，在数据采集任务中，频率测量控制逻辑电路有效操作的微观时域占空比为

1.3 高谐小量时空占空比与零功耗设计

1.3.1 实际系统中高谐小量的时空占空比

在嵌入式应用系统中，CPU高速处理能力与实际任务操作状态以及系统中的微观静、动态的巨大差异，导致大量无谓等待状态，形成有效操作的时、空占空比现象。上述4类占空比现象，在许多嵌入式应用系统中都会存在，而且这4类占空比形成乘积效应。按照上述估算，热流量计总体有效操作的时空占空比OPdc为

从这里揭示了一个惊人的现状，即在一个嵌入式应用系统中，有效操作只是全部运行操作的高谐小量。这一特点是嵌入式系统零功耗设计的基矗零功耗系统按照有效操作时空占空比实行精细的功耗管理，非有效操作期间没有功耗，从而使系统功耗与原来相比达到趋于零的效果。早期提出零功耗概念，并实现零功耗设计的器件有AMD公司的Flash存储器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量级为100时，改进工艺并降低电压后的Am29SL800B为20，而实现零功耗